分布式拉曼光纤放大器的研究

论文摘要

随着通信技术的发展,通信波段由C带（1528-1562nm）向L带（1570-1610nm）和S带（1485-1520nm）扩展。拉曼光纤放大器（Fiber Raman Amplifier,FRA）基于受激拉曼散射机制,是唯一能在1270nm到1670nm的全波段上进行光放大的器件。同时,FRA还具有宽带放大特性、噪声系数低以及可用普通光纤作为增益介质等内在优势。这使得FRA成为近年来研究的热点,在光通信方面有广泛的、极具吸引力的应用前景。本论文围绕FRA开展工作,主要在FRA的数值模拟、优化设计等方面进行了较为深入的基础性研究。主要研究内容和研究结果如下:1.在广泛查阅国内外文献的基础上,对目前主要几种光放大器作了分析比较,重点论述拉曼光纤放大器的历史发展和现状,提出了本课题研究的现实意义。2.论述拉曼散射的基本理论,讨论受激拉曼散射在光纤中的作用,基于此介绍拉曼光纤放大器基本原理和特点,分析了构成FRA系统的泵浦源、增益介质和无源器件的结构和功能,并将这些器件在传输线路中的功能用参数和函数表示出来。然后讨论了包括增益特性、噪声特性、偏振相关性和温度稳定性等拉曼放大器的特性。3.先对FRA的数学模型进行了较全面的分析,并讨论了拉曼耦合方程组的数值求解方法。本文提出用逐步逼近的打靶法来做数值求解。在算法中,综合考虑了在信号放大过程中可能发生的各种效应,因此更符合实际,对数学模型简化后,实现了后向泵浦FRA这一边值问题的数值求解。为拉曼光纤放大器的优化设计提供了可行的计算依据。4.研究一种新颖的宽带拉曼光纤放大器的优化设计方法。通过研究多波长后向泵浦拉曼光纤放大器的传输方程,分两步来确定各泵浦波的频率及输入功率的大小。设计了两个拉曼光纤放大器,一个采用双波长泵浦,得到的平坦增益带宽达50nm,增益不平坦度小于1dB。另一个采用四波长泵浦,得到的平坦增益带宽达80nm,增益不平坦度小于1dB。所得结果证明提出的优化设计方法对于设计多波长泵浦平坦增益带宽拉曼光纤放大器是一种有效的方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究分布式拉曼光纤放大器的意义
• 1.2 拉曼光纤放大器的历史发展及现状
• 1.3 本论文的主要研究内容和章节安排
• 第二章 拉曼光纤放大器的理论基础和应用研究
• 2.1 拉曼光纤放大器的基本原理
• 2.1.1 受激拉曼散射
• 2.1.2 拉曼光纤放大器的原理和结构
• 2.2 拉曼光纤放大器的特点和应用
• 2.2.1 拉曼光纤放大器的特点
• 2.2.2 拉曼光纤放大器在系统中的应用
• 2.3 拉曼光纤放大器的光纤和泵浦源
• 2.3.1 拉曼光纤放大器的光纤
• 2.3.2 拉曼光纤放大器的泵浦源
• 2.3.3 拉曼光纤放大器的无源器件
• 2.4 拉曼光纤放大器的特性
• 2.4.1 增益特性
• 2.4.2 噪声特性
• 2.4.3 偏振相关性
• 2.4.4 温度稳定性
• 2.4.5 拉曼光纤放大器的局限性
• 第三章 拉曼光纤放大器的数值计算
• 3.1 拉曼光纤放大器的数学模型
• 3.1.1 FRA 的数学模型
• 3.1.2 FRA 数学模型的简化
• 3.1.3 FRA 数学模型中参数的讨论
• 3.2 模型的数值算法研究
• 3.2.1 现存数值算法简介及讨论
• 3.2.2 主要数值求解方法
• 3.2.3 打靶法
• 3.3 数值仿真
• 第四章 拉曼光纤放大器的优化设计
• 4.1 影响增益平坦的因素
• 4.1.1 光纤的性质
• 4.1.2 泵浦方式
• 4.1.3 泵浦波长
• 4.2 泵浦波长和功率的优化设计
• 4.2.1 优化设计的数学模型
• 4.2.2 现存优化设计算法简介
• 4.2.3 遗传算法
• 4.2.4 用遗传算法优化FRA
• 第五章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士期间取得的研究成果